Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

получить высокую стабильность фиксированных частот модуляции све-

тового потока.

Таким образом,

при

этом способе минимальное число частот

—

две:

/ — основная частота,

—

вспомогательная частота, необходимая

для

определения числа

целых фазовых циклов, получаемых

при

измере-

нии расстояния

на

основной частоте. Вспомогательная частота значитель-

но меньше основной,

а ее

значение определяется

из

условия однозначно-

го определения максимального расстояния

Л <Т7Г— <

1а41

max

Это означает,

что

разность

фаз

Д^

измеренная

на

вспомогательной час-

тоте модуляции,

не

должна быть больше фазового цикла.

Из

изложенно-

го можно дважды определить величину измеряемого расстояния:

v Д^,

Д<4

2тг

(10.42)

где

Ау < 2 л -

разность

фаз в

пределах последнего фазового цикла,

полученная

при

измерении

на

основной частоте модуляции

Число

целых фазовых циклов определяют

по

формуле

ЛГ=л

Av0

(10

43)

или

учетом,

что

коэффициент многозначности

f:f

А\Д^,

- Д^

= . (10.44)

Вычисленное

по

формулам

(10.43) и (10.44)

значение

округляют

до ближайшего целого

используют

для

точного определения

D по

вто-

рому уравнению системы

(10.42).

[18]

приводится следующая формула

для

ошибки определения

числа целых фазовых циклов:

7Г/,

«лг

= • О

)

где

у/2

—

коэффициент, учитывающий остаточное влияние всех осталь-

ных неучитываемых погрешностей.

Учитывая,

что

должно быть

< 0,16 и что ди

заранее известна

после выбора фазоизмерительного устройства,

[

18] приводится макси-

мальное значение коэффициента многозначности,

при

котором

еще га-

рантируется однозначное определение числа целых фазовых циклов

*х

= v

1Г~'

1а46

Ду>

Так

как при

современных методах измерений минимальное значение

погрешности

составляет несколько угловых минут, коэффициент

многозначности

К\ = 1000.

Учитывая,

что

практически получаемые

ве-

личины

больше минимальных значений, получаемых обычно

в ла-

бораторных условиях,

для

большей надежности

для

практических расче-

тов принимают

= 100-10.

Допустимая погрешность измерения разности фаз, обеспечивающая

однозначное измерение максимального расстояния,

0,<К—?—.

(10.47)

При измерении минимальных расстояний число целых фазовых циклов

уменьшается

и его

определение упрощается.

Это

означает,

что

свето-

дальномерами

несколькими фиксированными частотами модуляции

можно измерять

без

ограничения любые малые расстояния. Если

до-

пустимая погрешность

тд^

при двух частотах

не

может быть гарантиро-

вана, измерения ведут

на

трех

или

более фиксированных частотах,

од-

на

из

которых основная,

остальные

вспомогательные.

Сопоставление способов определения числа целых фазовых циклов

указывает

на то, что

способ нескольких фиксированных частот являет-

ся предпочтительным,

так как

обеспечивает минимальные частотные

погрешности

возможность измерения

без

ограничения любых малых

расстояний. Вместо фазовращателя

таком светодальномере использу-

ют оптическую линию задержки

[18, 22].

В соответствии

требованиями ГОСТ

19223-82

геодезические

све-

тодальномеры можно разделить

по

назначению, точности

дальности

действия

на

три группы:

Г -

светодальномеры, применяемые

Государственной геодезиче-

ской сети.

П -

светодальномеры, применяемые

прикладной геодезии

маркшейдерии.

Т -

светодальномеры, применяемые

геодезических сетях сгуще-

ния

для выполнения топографических съемок.

Допускаемое значение средней квадратической ошибки светодаль-

номеров определяют

по

формуле

= (а+

М>),

где

а и

коэффициенты;

D-

измеряемое расстояние.

Для светодальномеров группы

Г а = 5; 10; Ь =

1,2-1СГ

пределы

измерения

от 0,5 до 15-20

км. Для светодальномеров группы

П а =0,3;

0,5;

1; 2; b = (0,5; 1; 2; 3)

•

10"

пределы измерения

от 0,002 до 0,1 -

3 км. Для

светодальномеров группы

Т а - 5; 10; Ь- (2; 3;

5)10~

пределы измерения

от 0,002 до 1-15 км.

62.

Функциональные схемы основных типов

светодал ьномеров

На

рис. 111

приведена схема интерференционного светодальномера,

в ко-

тором обычно используется схема асимметричного двухлучевого интер-

ферометра Майкельсона. Полупрозрачное зеркало

делит выходящий

из передающей оптической системы световой поток

на два.

Один

из них

проходит путь вдоль измеряемой линии

до

зеркала

3 и

обратно, дру-

гой

—

до

опорного зеркала

1 и

обратно.

приемной оптической системе

по результатам интерференции этих потоков определяют величину

измеряемого расстояния. Величина максимального расстояния, измеря-

емого

при

помощи интерференционного дальномера, определяется

временной когерентностью источника света. Современные интерференци-

онные дальномеры позволяют непосредственно

длинах волн несущих

колебаний измерять расстояния

до

нескольких десятков метров

с по-

грешностью

до

сотых долей микрометра. Однако малая длина волны

влияние атмосферы

не

позволяют использовать интерференционные

дальномеры

для

полевых геодезических измерений. Применение лазе-

ров позволяет повысить когерентность излучения

увеличить длину

волны методом уменьшения частоты биений двухчастотных лазеров,

но

при

этом значительно возрастают габариты резонатора.

Указанные технические трудности ограничивают использование

интерференционных дальномеров лишь

качестве компараторов

для

контрольных измерений высокоточных линейных рабочих

мер и

шкал

геодезических приборов

определении малых деформаций инженерных

сооружений.

Как было отмечено,

модуляционных светодальномерах,

как

пра-

вило,

применяют модуляцию немонохроматического потока излучения

но интенсивности (реже

—

по

поляризации).

В импульсных светодальномерах излучение света производится

в виде кратковременных импульсов

большой скважностью.

При ис-

пользовании лазеров

внутренней модуляцией можно получить

им-

пульсы длительностью несколько пикосекунд. Внутренняя импульсная

модуляция непосредственно

источнике излучения позволяет значитель-

но повысить интенсивность импульса

обеспечить существенное увели-

чение дальности измерений.

настоящее время

импульсных светодаль-

номерах используют,

как

правило, твердотельные рубиновые

или

неоди-

мовые лазеры

внутренней модуляцией. Измерение времени произво-

дится непосредственно,

для

чего используются различные радиотехниче-

ские средства: электронно-лучевые трубки

линейным генератором

развертки, калиброванные электрические цепи временной задержки,

быстродействующие дискретные счетчики

и др.

Схема импульсного све-

тодальномера приведена

на рис. 112.

Передающая оптическая система

\гми

i/?ep.OC\-

\ПерЛС\

хм/мл

скви\

тя

\ПрЖ\

\гкви\

\ПрЖ\

Рис.

111.

Схема

интерференционного

све-

то дальномера;

—

опорное

зеркало;

— полупрозрач-

ное зеркало;

3 -

отражатель;

Пер. ОС

—

передающая

оптическая

система;

ПР.

ОС

—

приемная

оптическая система

Рис.

112.

Схема

импульсного

свето-

дальномера

с импульсным источником света формирует излучение

узкой направ-

ленностью. Электрический старт-импульс

от

генератора модулирующих

импульсов

ГМИ

одновременно поступает

источник излучения

триг-

герную ячейку

ТЯ (в

некоторых схемах используется пороговый дис-

криминатор), открывая счет импульсов. Калиброванные временные

импульсы поступают через триггерную ячейку

на

счетчик калиброван-

ных временных импульсов СКВИ

от

постоянно действующего генера-

тора ГКВИ. Счетчик производит счет импульсов, пока открыта триггер-

ная ячейка. Стоп-импульс

на

прекращение счета (закрытие триггерной

ячейки) соответствует моменту прихода

приемную оптическую систе-

му отраженного импульса.

Величину измеряемого расстояния определяют

по

формуле

vt vN

= —г- * —-, (10.48)

где

N -

число калиброванных временных импульсов, зафиксированных

счетчиком;

частота следования калиброванных временных

им-

пульсов.

Современные импульсные светодальномеры обеспечивают измере-

ние расстояний

максимальной погрешностью порядка

10 см. Они

находят

все

большее применение

спутниковой геодезии,

также могут

быть использованы

при

крупномасштабной топографической съемке.

Основными преимуществами импульсных светодальномеров явля-

ются: простота функциональной схемы, быстродействие, возможность

наиболее эффективного использования источника излучения.

В фазовых светодальномерах,

как

было указано, время опреде-

ляют косвенным способом

сравнением

фаз

излучаемого

принима-

емого световых потоков. Разность

фаз в

пределах фазового цикла

может быть измерена непосредственно

или

компенсационным способом.

Функциональная схема фазового светодальномера

фазоизмерительным

устройством

ФУ

представлена

на рис. 113, я.

Разность

фаз

определяется

непосредственно. Электрический сигнал

от

генератора модулирующей

18 - B.C.

Плотников

гмч

пер.ос

гмч

пер.ос

ФВ

Пр.

о с

гмч

ПерЖ\

•ал

ПрЖ

Рис. 113. Схемы фазовых светодальномеров:

—

с непосредственным измерением разности фаз; б

—

с компенсационным изме-

рением разности фаз

частоты ГМЧ используется для модулирования излучаемого светового

потока и поступает одновременно в ФУ. От приемной оптической систе-

мы на другой вход ФУ поступает электрический сигнал, фаза которого

соответствует фазе принимаемого светового потока. В качестве ФУ мо-

жет быть использована, например, электронно-лучевая трубка с приме-

нением способа круговой развертки. В целях автоматизации процесса

измерения разности фаз стремятся заменить аналоговые способы изме-

рения дискретными - цифровыми способами. Современные цифровые

фазометры обеспечивают точность измерения разности фаз до 10 , т.е.

погрешность составляет несколько угловых минут.

Фазовые светодальномеры с непосредственным измерением разности

фаз по процессу измерения и конструкции проще светодальномеров,

в которых разность фаз измеряется компенсационным способом. Демо-

дулятор отсутствует, что позволяет более эффективно использовать све-

товой поток. Приемником излучения должен быть малоинерционный фо-

тоэлектрический приемник. Однако измерение разности фаз компенса-

ционным способом обеспечивает более высокую точность, чем непосред-

ственное измерение, поэтому в геодезических светодальномерах измере-

ние разности фаз компенсационным способом является предпочти-

тельным.

Схема фазового светодальномера с компенсационным измерением

разности фаз представлена на рис. 113, б.

Здесь фазоизмерительное устройство заменено фазовращателем Ф,

добавлены демодулятор Д, находящийся в приемной оптической систе-

ме,

и индикатор И, позволяющий по величине светового потока, про-

шедшего через демодулятор, фиксировать разность фаз излучаемого

и принимаемого световых потоков.

При помощи фазовращателя путем электрической линии задержки

создают фазовый сдвиг, равный или соответствующий измеряемой раз-

ности фаз. На демодулятор подается электрический сигнал, прошедший

фазовращатель. Об изменении разности фаз А*р принимаемого свето-

вого потока и электрического сигнала судят по изменению интенсивно-

сти среднего интегрального светового потока, прошедшего через демо-

гмч

Пер.

ОС

гмч

Пер.

ОС

гг

\Пр.ОС

ФД

Рис. 114. Схема фазового светодальномера с измерением разности фаз на промежу-

точной (разностной) частоте

дулятор. Электрический сигнал, соответствующий прошедшему через

демодулятор световому потоку, поступает в индикатор. Отсчет по шка-

ле фазовращателя производят в момент, когда разность фаз равна

определенному значению. Если у?

= 0, то фазовый сдвиг, вносимый

фазовращателем, будет равен измеряемой разности фаз Ду?.

При компенсационном измерении разности фаз точность существен-

но выше непосредственного измерения, так как остается по существу

лишь погрешность индикации разности фаз.

Точность можно повысить путем применения более высоких частот,

но при этом процесс измерения разности фаз существенно усложняется.

Весьма эффективным является измерение разности фаз на более

низкой по сравнению с частотой модуляции

CJ,

так называемой проме-

жуточной частоте £2:

12 = CJ

(10.49)

где

—

частота вспомогательного (гетеродинного) генератора.

На рис. 114 показана схема светодальномера с фазовращателем,

действующим на промежуточной частоте. Электрические сигналы, соот-

ветствующие излучаемому и принимаемому модулированным световым

потокам, поступают соответственно в смесители С

и С

, в которые по-

дается и электрический сигнал с частотой

от гетеродинного генера-

тора ГГ. Выделенный после смесителя С

сигнал с чатотой £2 поступа-

ет в фазовращатель и фазовый детектор ФД, а сигнал, выделенный после

смесителя С

, поступает в фазовый детектор непосредственно. Для

исключения фазовых ошибок производят определение разности фаз

повторно на другой промежуточной частоте, используя другую часто-

ту

гетеродинного генератора.

Промежуточная частота значительно меньше модулирующей и обыч-

но не превышает 100 кГц, поэтому уменьшение частоты методом гете-

родинирования значительно ослабляет влияние временных задержек

в электрических цепях на точность измерения разности фаз и упрощает

конструкцию фазовращателя.

гмч

Лвр.

ОС

гмч

Лвр.

ОС

ФП

/7/7.0С

'Л

ч 1

ОКЛ

Рис. 115.

Схема фазового

светодальномера

калибровкой отсчетов

по

шкале

фазо-

вращателя оптической

калибровочной линией

Для исключения погрешностей, вызванных нестабильностью фазо-

вращателя, производят его калибровку при помощи специальной опти-

ческой линии. Длина пути / определяется непосредственно отсчетом

по шкале оптической калибровочной линии и является измеряемой раз-

ностью фаз, выраженной в линейной мере, т.е.

Ау = /

(10.50)

Поскольку размеры оптической калибровочной линии обратно

пропорциональны частоте модуляции, при частотах модуляции более

100 МГц она может иметь вполне приемлемые габариты.

Схема фазового светодальномера с фазовращателем и оптической

калибровочной линией ОКЛ приведена на рис. 115. Зеркала 1 и 2 служат

для включения ОКЛ.

Комбинированные светодальномеры разрабатывают с целью повы-

шения точности импульсных светодальномеров и увеличения дальности

действия фазовых светодальномеров. Они строятся по импульсно-фазо-

вой функциональной схеме, что позволяет вести низкоточные измерения

импульсным способом, а точные

—

фазовым.

С целью увеличения дальности действия [18] применяют светодаль-

номеры с активным отражателем.

Таким образом, в настоящее время получили наиболее широкое

применение фазовые, импульсные и комбинированные светодальномеры.

Для геодезических светодальномеров предпочтительной является схема

фазового светодальномера. При одинаковой частоте модуляции более

точными являются фазовые светодальномеры с измерением разности

фаз компенсационным способом.

При использовании импульсных источников излучения или полу-

проводниковых лазеров и светодиодов в импульсном режиме излуче-

ния, применяемом с целью увеличения дальности действия, оптималь-

ной следует считать схему комбинированного (фазово-импульсного)

светодальномера [18].

Для использования в спутниковой геодезии оптимальной можно

считать схему импульсного светодальномера с твердотельным импульс-

ным лазером

качестве источника излучения,

что

позволяет существен-

но повысить эффективность использования излучаемого светового

по-

тока. Весьма важным

перспективным преимуществом импульсного

способа является также

то, что он

позволяет вести измерения

лока-

ционном режиме (использование отражения света

от

самой поверхности

объекта, расстояние

до

которого измеряется).

63.

Оптические системы светодальномеров,

их основные части

элементы

Оптическая система светодальномера состоит

из

передающей части,

отражателя

приемной части.

Назначение оптической системы светодальномера

—

узконаправ-

ленное излучение, отражение

прием модулированного светового пото-

ка. Передача

прием световой энергии должны обеспечиваться

мини-

мальными потерями.

При

этом должны удовлетворяться требования

по точности

дальности измерений.

Потери лучистой энергии определяются отношением потока

принимаемого приемником, находящимся

приемной части,

потоку

Фист>

излучаемому источником излучения, находящимся

передающей

части

[18]:

^пер^отр

^пр

^а

> (10.51)

^ист

где Апер,

ОТ

р,

пр

—

коэффициенты эффективности передающей

оптической системы, отражателя

приемной оптической системы соот-

ветственно;

АГ

коэффициент ослабления потока вследствие турбу-

лентности атмосферы;

коэффициент пропускания атмосферы

на

км; S -

измеряемое расстояние.

Выражения

для

определения коэффициентов эффективности раз-

личных частей оптической системы будут даны далее. Точно значение

коэффициента

определять весьма сложно. Влияние турбулентности

атмосферы особенно сказывается

при

измерении значительных расстоя-

ний

существенно зависит

от

длительности измерений

времени

их

про-

ведения

течение суток.

Программой

методикой измерений влияние турбуленции атмо-

сферы может быть ослаблено. Косвенно

влиянии турбулентности

ат-

мосферы можно судить

по

расширению

диаметра пучка лучей,

вызванному турбулентностью, которое можно найти

по

эмпирической

формуле

[18]

= 910"

-5

ь2

, (10.52)

где

—

расстояние

метрах.

Значение коэффициента пропускания

атмосферы зависит

от дли-

Рис. 116.

Обобщенная

схема

передающей оптической

системы

светодальномера

ны волны излучения. Примерное значение г

можно определить, исходя

из условий визуальной видимости. Значение г

колеблется от 0,99

(идеальная видимость) до 0,82 (удовлетворительная видимость). При

проектном расчете светодальномера следует, очевидно, брать минималь-

ное значение т

0,7.

Ослабление силы света источника атмосферой можно определить

по приближенной формуле

/ = /

rf, (10.53)

где S - расстояние, км.

Передающая система. Обобщенная схема передающей системы при-

ведена на рис. 116. Передающая система состоит из источника света -

излучателя размером

Д*

т>

конденсора со световым диаметром D

модулятора М (в случае внешней модуляции) и передающего объек-

тива диаметром

/>пер

и с фокусным расстоянием/

пер

Коэффициент эффективности передающей оптической системы све-

тодальномера, в которой осуществляется внешнее модулирование ин-

тенсивности излучаемого потока, можно определить из выражения

^пер

^ист

VM^OH

2(1 + 7) '

(Ю.54)

где А'

ист

- коэффициент использования источника излучения; г

, г

оп

~ коэффициенты пропускания соответственно конденсора, моду-

лятора и объектива передающей оптической системы; m - глубина

модуляции; 7 - коэффициент нелинейных искажений, вносимых моду-

лятором.

При использовании светодальномера с активным отражателем

излучаемый активным отражателем световой поток может быть моду-

лирован

по

интенсивности дважды.

Для

этого случая

(2 - т

)

^пер

^ист

оп

4(1 + 7)

(10.55)

где

глубина дополнительной модуляции.

Параметры модуляторов т

,ти

приведены

литературе

[18].

Коэффициенты пропускания оптических систем

известным

из

прикладной оптики зависимостям.

оп

определяются

по

Коэффициент

шением

использования источника определяется отно-

си ст

пл

ист'

(10.56)

где

£2

телесный угол источника, используемый

действительности;

пп

коэффициент использования излучающей площади источника;

Hcr

излучающая площадь источника.

Выходной апертурный угол

2о'

конденсора должен быть согласо-

ван

относительным отверстием модулятора

или

объектива, чтобы

использовать

всю

площадь зрачка передающего объектива.

Конденсор изображает

увеличением

излучатель размером

£>

ист

плоскости действующей диафрагмы модулятора

£>

(в

фокаль-

ной плоскости объектива).

При

этом изображение излучающего участка

поверхности источника должно заполнить

всю

площадь

действующе-

го отверстия модулятора,

т.е.

ИСТ

> S

или D

HCT

Исходя

из

изложенного, можно написать следующие очевидные

со-

отношения:

Пи

4 о'

/Г

^пер

^ист •'пер

(10.58)

где

2о = 2 о '/V

— угол охвата конденсорной оптической системы,

пер

' пер

так как = (I

pa, то

(10.59)

^к)/к»

/к ~~

фокусное расстояние конденсо-

пер

'пер

1 - V-

(10.60)

С учетом выражений

(10.54), (10.56),

(10.57)

коэффициент эффек-

тивности передающей оптической системы светодальномера

для

случая

однократной внешней модуляции интенсивности излучаемого светово-